KR20220075499A - 해수전해조로부터 발생된 부산물을 활용하는 에너지 시스템 - Google Patents

해수전해조로부터 발생된 부산물을 활용하는 에너지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수전해조에서 발생된 부생수소를 포집, 정제 및 저장하여 에너지 시스템에 활용하고 해수전해 후 부생된 알칼리 부산물로부터 고순도 산화마그네슘의 생산 기술에 관한 것으로 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템(100)은 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해조(110); 상기 해수전해조에서 상기 전기분해 과정으로 발생되는 부생수소를 포집 및 정제하여 저장하는 수소저장부(120); 상기 수소저장부에 저장된 부생수소를 연료로 사용하는 연료전지(130); 및 상기 해수전해조에서 상기 해수로부터 부생된 수산화마그네슘을 산화마그네슘으로 전환하는 산화마그네슘 수득부(140)와 해수전해조(110)와 일측이 연결되고 수소저장부(120)와 타측이 연결되어 부생수소를 이송시키는 수소포집관(150), 해수전해조(110)와 일측이 연결되고 산화마그네슘 수득부(140)와 타측이 연결되어 수산화마그네슘을 이송시키는 수산화마그네슘 이송관(170)을 포함한다. 또한, 수소저장부(120)로부터 연료전지(130)로 부생수소를 이송시키 위해 수소저장부조(120)와 일측이 연결되고 연료전지(130)와 타측이 연결된 수소공급관(160)을 더 포함할 수 있다.

Description

해수전해조로부터 발생된 부산물을 활용하는 에너지 시스템{ENERGY SYSTEM USING BY-PRODUCTS FROM SEAWATER ELECTROLYSIS EQUIPMENT}
본 발명은 해수전해조에서 발생된 부생수소를 포집, 정제 및 저장하여 에너지 시스템에 활용하고 해수전해 후 부생된 알칼리 부산물로부터 고순도 산화마그네슘의 생산 기술에 관한 것이다.
원자력 발전 및 화력 발전 시스템에서는 터빈을 통과한 고온의 물을 냉각시키거나, 열 교환기를 냉각시키기 위해 해수를 유입하며, 폐냉각수를 주변 해수보다 일정온도이상 높지않게 온도를 낮추어 바다로 배출한다. 이 때 해수 유입구는 어폐류와 해조류 등의 부착성 해양생물들이 생장하기에 이상적인 조건을 가진다. 이 해양 생물들은 해수 수로 내벽이나 냉각수 취수 설비에 손상을 초래하여 냉각수 펌프의 효율저하와 열교환기와 같은 관련 설비의 운전효율을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 원자력 발전 및 화력 발전 시스템에서는 해수전해설비를 설치하는데, 이는 해수 중 염화나트륨 (NaCl)을 전기분해하여 차아염소산 트륨(NaOCl, 이하 염소물질이라 한다.)을 생산하여 해수 유입구에 설치하므로써 배관,열교환기의 튜브등 관련시설에 부착성 해양생물이 생장하는 것을 방지한다. 해수전해설비는 정류기를 통해 변환된 DC전원을 각각 양극 및 음극에 연결하고, 해수를 통과시킴으로써 해수의 NaCl과 H2O가 전기분해되어 Na,Cl,H 및 OH 이온이 생성되고 이 때 반응성이 큰 Na 와 OH 이온은 결합하여 NaOH를 생성한다. Cl은 양극으로 이동하여 염소기체(Cl2)를 만들고, H는 음극으로 이동하여 수소기체 (H2)를 만든다. 생성된 수산화나트륨(NaOH)은 염소(Cl2)와 반응하여 염소물질(NaOCl)를 생성한다. 염소물질의 농도는 DC전류의 크기로 전기분해양을 조율하여 조절될 수 있다. 이 때 해수전해설비에서 발생되는 염소물질과 부생수소는 역지밸브를 거쳐 저장탱크로 이동하여 대기 중으로 방출하고 있는 실정이다.
2015년 산업부 보고서에 따르면, 발전소에서 염소를 생산하는 해수전해설비의 전기분해 과정에서 수소(부생수소)가 부산물로 발생하며 2010년 국내 발전소의 해수전해설비에서 발생하는 수소 발생률은 420.0m3/hr로, 이를 연료전지에 활용하면 약 503kW의 전력에 해당한다.
한편 해수에는 다량의 마그네슘과 칼슘을 함유되어 있어 전기분해 시 알칼리 금속 산화물을 생성하며, 이를 처리하기 위한 상당한 유지관리 비용이 소요된다. 이러한 알칼리 금속산화물 중 불순물을 제거하고 수산화 마그네슘을 회수하면 이와 같은 비용을 절감하고 생산된 수산화마그네슘을 에너지원으로 활용 할 수 있다. 일반적으로 해수 내 용존 마그네슘은 용존 2+ 형태로 약 1300 ppm (mg/L)정도의 마그네슘 이온(Mg)을 함유하는 해수에 고온에서 만들어진 소석회(CaCO3) 또는 백운석 (MgCO3ㆍCaCO3)을 첨가하여 용해도가 낮은 수산화마그네슘(magnesium hydroxide, Mg(OH)2) 형태로 침전 회수되어 왔다. 이외에도 직접 Ca(OH)2, NaOH, KOH, NH4OH, Na2CO3, K2CO3 등을 해수에 첨가하면 pH 10 이상에서 수산화마그네슘 형태로 침전된다. 그러나 해수로부터 추출된 마그네슘의 순도는 약 95~97% 정도이며 칼슘과 같은 주요 불순물이 CaCO3, Ca(OH)2 형태로 공침되어 있기 때문에 99% 이상의 고순도 산화마그네슘을 회수할 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.
한국 등록특허 제1577525호
본 발명은 해수전해조로부터 발생하는 부생수소를 포집 및 정제함으로써 대기 중으로 방출하여 소실시키지 않고 연료전지 등의 에너지원으로 하는 시스템을 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명은 단위 부피당 수소 저장 효율이 큰 수소저장합금을 이용함으로써 고밀도로 수소를 저장할 수 있는 대용량 수소저장 장치를 포함하는 에너지 시스템을 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명은 해수전해 반응 후 생성된 알칼리 부산물로부터 산화마그네슘을 고순도로 수득함으로써 처리 비용을 절감하고 해수전해조의 운영 효율을 향상시키는 에너지 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른, 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해조; 상기 해수전해조에서 상기 전기분해 과정으로 발생되는 부생수소를 포집 및 정제하여 저장하는 수소저장부; 상기 수소저장부에 저장된 상기 부생수소를 연료로 사용하는 연료전지; 및 상기 해수전해조에서 상기 해수로부터 부생된 수산화마그네슘을 산화마그네슘으로 전환하는 산화마그네슘 수득부를 포함하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템을 제공한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 염소 생산을 위한 해수전해조에서 부산물로 생성되는 수소를 대기 중에 그대로 방출하여 폐기하지 않고 연료전지 등의 에너지원으로 이용할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 해수전해조에서 불순물로 취급되어 별도의 처리비용을 필요로 하는 알칼리 부산물로부터 산화 마그네슘을 수득함으로써 부산물 처리 비용을 절감하고 자원으로 활용할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 금속수소화물 형태로 저장할 수 있는 수소저장합금을 도입한 수소저장부를 제공함으로써 기존보다 높은 체적으로 수소를 저장할 수 있으며 따라서 에너지 시스템의 면적 부지를 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 해수전해 시설에서 부생되어 불순물을 다량 함유하는 알칼리 부산물로부터 열분해 반응을 통해 순도가 높은 산화 마그네슘을 정제하여 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구조도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구조도를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명될 본 발명의 실시예들은 해수전해조, 수소저장부, 산화 마그네슘 수득부 및 연료전지를 포함하는 에너지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구조도를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템(100)은 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해조(110); 상기 해수전해조에서 상기 전기분해 과정으로 발생되는 부생수소를 포집 및 정제하여 저장하는 수소저장부(120); 상기 수소저장부에 저장된 부생수소를 연료로 사용하는 연료전지(130); 및 상기 해수전해조에서 상기 해수로부터 부생된 수산화마그네슘을 산화마그네슘으로 전환하는 산화마그네슘 수득부(140)를 포함한다.
본 발명에서 해수전해조(110)는 해수를 전해, 즉 해수를 전기분해하여 염소와 같은 염소물질을 생성한다. 해수전해조 1모듈당 해수를 전해하여 생성되는 염소는 1,100ppm이며, 이를 시간당 몰수로 표시하면 다음과 같다.
NaOCl: 1,100ppm (mg/L)* 30ton/hr
= (33kg/hr,Cl2)/ (1 mol/ 35g) = 1,155 mol/hr
한편 해수를 전해하는 과정에서 부산물로 생성되는 부생수소는 염소와 동일한 몰수로 생성되는데, 해수전해조 1모듈당 해수전해를 통해 생성되는 부생수소의 양은 약 H2: 1,155 mol/hr*22.4L/1M=26m3/hr 이다. 본 발명에서는 해수전해를 통해 형성되는 염소의 양 만큼 부대로 생성되는 동일한 양의 부생수소를 대기로 방출하지 않고 포집 및 저장함으로써 연료전지 등의 에너지원으로 제공할 수 있다. 일예로서 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 경우, 1m3/hr의 수소를 연료로 이용하여 약 1kW(AC)의 전기를 생산할 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 경우 해수전해조 1모듈에서 시간당 약26kW의 전기를 생산할 수 있다.
본 발명에서 수소저장부(120)는 해수전해조(110)에서 해수의 전기분해 과정에 의해 발생되는 부생수소를 포집 및 정제하여 저장하는데, 금속수소화물의 형태로 부생수소를 저장함으로써 저장 부피를 상당히 감소시킬 수 있다. 금속수소화물의 형태로 부생수소를 저장하기 위해서 수소저장합금을 이용할 수 있으며, 수소저장합금은 LaNi3BH3, Li2NH, LiNH2-LiH, TiCl3, Li2O-Li3N, Li2MgN2H2, Li3N, Li2NH, Li3BN2H8, LiB4-1/2MgH2-2mol% 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
수소저장합금과 부생수소가 반응하면서 금속수소화물의 생성과 함께 열이 발생하는데, 반응한 열로 수소 가스의 압력이 저하될 수 있으며 역으로 금속수소화물에 열을 가해 수소 가스를 방출시켜 수소 가스의 압력을 상승 시킬 수 있다. 이 때 발생한 수소가스압력차를 동력으로 변환하여 후술할 연료전지를 가동할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에서 연료전지(130)는 수소저장부(120)에 저장된 부생수소를 연료로 사용한다. 연료전지(130)의 공기극에 산소가 공급되고 연료극에 부생수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산할 수 있다. 본 발명에서 연료전지(130)는 시스템적으로 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 장치로 구성될 수 있다. 이와 같은 구성으로 연료전지에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
본 발명의 일예에서, 연료전지(130)는 일정량의 부생수소가 수소저장소(120)로부터 수소공급용 압축기 또는 블로워에 의해 펌핑되어 연료전지(130)의 유입구를 통해 연료극으로 공급되고, 이와 함께 연료전지 내부로 공기가 공급되어 연료극으로 공급된 부생수소와 함께 산화반응 및 환원반응을 일으키면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
본 발명에서, 해수전해조(110)와 수소저장부(120)를 연결하여 부생수소를 이송시키기 위해 해수전해조(110)와 일측이 연결되고 수소저장부(120)와 타측이 연결된 수소포집관(150)을 더 포함할 수 있다. 또한 해수전해조(110)와 일측이 연결되고 산화마그네슘 수득부(140)와 타측이 연결되어, 해수전해조(110)로부터 산화마그네슘 수득부(140)로 수산화마그네슘을 이송시키는 수산화마그네슘 이송관(170)을 더 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구조도를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템(100)은 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해조(110); 상기 해수전해조에서 상기 전기분해 과정으로 발생되는 부생수소를 포집 및 정제하여 저장하는 수소저장부(120); 상기 수소저장부에 저장된 부생수소를 연료로 사용하는 연료전지(130); 및 상기 해수전해조에서 상기 해수로부터 부생된 수산화마그네슘을 산화마그네슘으로 전환하는 산화마그네슘 수득부(140)와 해수전해조(110)와 일측이 연결되고 수소저장부(120)와 타측이 연결되어 부생수소를 이송시키는 수소포집관(150), 해수전해조(110)와 일측이 연결되고 산화마그네슘 수득부(140)와 타측이 연결되어 수산화마그네슘을 이송시키는 수산화마그네슘 이송관(170)을 포함한다. 또한, 수소저장부(120)로부터 연료전지(130)로 부생수소를 이송시키 위해 수소저장부조(120)와 일측이 연결되고 연료전지(130)와 타측이 연결된 수소공급관을 더 포함할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 에너지 시스템
110 : 해수전해조
120 : 수소저장부
130 : 연료전지
140 : 수산화마그네슘 수득부
150 : 수소포집관
160 : 수소공급관
170 : 수산화마그네슘 이송관

Claims (10)

  1. 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해조;
    상기 해수전해조에서 상기 전기분해 과정으로 발생되는 부생수소를 포집 및 정제하여 저장하는 수소저장부;
    상기 수소저장부에 저장된 상기 부생수소를 연료로 사용하는 연료전지; 및
    상기 해수전해조에서 상기 해수로부터 부생된 수산화마그네슘을 산화마그네슘으로 전환하는 산화마그네슘 수득부를 포함하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소저장부는 부생수소를 금속수소화물의 형태로 저장하는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소저장부는 수소저장합금을 이용하여 부생수소를 저장하는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수소저장합금은 LaNi3BH3, Li2NH, LiNH2-LiH, TiCl3, Li2O-Li3N, Li2MgN2H2, Li3N, Li2NH, Li3BN2H8 및 LiB4-1/2MgH2 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 해수전해조와 일측이 연결되고 상기 수소저장부와 타측이 연결되어, 상기 해수전해조로부터 상기 수소저장부로 상기 부생수소를 이송시키는 수소포집관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소저장부조와 일측이 연결되고 상기 연료전지와 타측이 연결되어, 상기 수소저장부로부터 상기 연료전지로 상기 부생수소를 이송시키는 수소공급관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화마그네슘 수득부는 열분해 반응을 통해 상기 수산화마그네슘 Mg(OH)2에서 산화마그네슘 MgO으로 전환하는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열분해 반응은 350 내지 450 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 해수전해조와 일측이 연결되고 상기 산화마그네슘 수득부와 타측이 연결되어, 상기 해수전해조로부터 상기 산화마그네슘 수득부로 상기 수산화마그네슘을 이송시키는 수산화마그네슘 이송관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지 (MCFC), 고분자전해질 연료전지 (PEMFC), 고체산화물 연료전지 (SOFC), 직접메탄올 연료전지 (DMFC), 직접에탄올 연료전지 (DEFC), 인산형 연료전지 (PAFC), 직접탄소 연료전지 (DCFC) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 해수전해조로부터 발생되는 부산물을 활용하는 에너지 시스템.
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